CN104316441A - 螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋输送管内出料段粉体浓度检测装置与检测方法，所述检测装置由电容检测传感器、信号传输电缆、数据采集和控制系统、图像重建计算机组成。电容检测传感器包括螺旋输送管、螺旋式测量电极阵列、环状屏蔽电极、屏蔽罩。螺旋输送管内出料段粉体浓度检测方法首先采采集螺旋式测量电极阵列的电容值，然后采用Landweber算法进行图像重建得到被测管道内粉体相对介电常数的分布图像，最后对图像进行分析处理，得到螺旋输送管内出料段粉体浓度分布信息。本发明显著改善了电容检测传感器灵敏场的均匀程度和测量精度，在粉体定量加料方面具有良好的应用前景。

Description

螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及工业生产管道内粉体在线检测装置，具体提供一种螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置与检测方法。

背景技术

在农业、食品、化工等行业存在着大量粉体的流动及定量生产过程。螺旋输送对粉体颗粒输送有较好的可控性和稳定性，在螺旋定量加料过程中，螺旋输送管道内粉体的运动情况十分复杂，而粉体的浓度分布对于定量加料是个非常重要的影响因素，对粉体浓度分布检测一直是螺旋定量加料测控系统的难点。准确检测粉体浓度分布能有效提高定量生产效率，具有节约资源、降低成本、减少污染等重要意义。

粉体浓度检测方法主要有三种：第一类是采用分离法，将多相流体的各相分离，测量各相含量；第二类是基于超声波技术、光谱技术、核磁共振技术、电容法、静电法、过程层析成像技术等新型无损检测技术；第三类是基于软测量技术的测量方法。根据不同的检测方法，有些学者已研制出相应的粉体参数检测装置。

现有的粉体参数检测装置，如：2011年刘石等人利用介电系数变化测量电极提供的粉体介电系数变化信号，修正分步测量电极的数据，从而对粉粒体空间分布做出更为准确重建(专利申请号201110066957.2)，介电系数变化测量属于接触式测量，测量电极容易被损坏，且对流场有一定的影响；2012年杨道业等人在申请专利双阵列式电容传感器及其气固两相流检测方法(专利申请号201210258938.4)中利用双阵列式电容传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点，从而重建管道内部两个截面的相浓度分布；2013年崔自强等人在申请专利具有双层旋转电极的电容层析成像传感器(专利申请号201310420106.2)中将检测电极附于旋转管壁上，可从任意角度测量电容值，存在计算量过大，实时性差的缺点；2014年程俊利用换热原理检测密闭循环系统中粉体流量(专利申请号201410105714.9)，存在受环境温度影响大，器件使用寿命短等缺点。

另外，现有的检测装置主要安装在输送段，而出料段内的粉体浓度对出料情况的影响更为直接：出料时的流量脉动、出料不均匀都会导致难以控制出料的重量，进而无法进行准确的定量加料。因而需要对螺旋输送管内出料段粉体浓度分布进行检测。

如何利用现有技术来准确、可靠的检测螺旋输送管内出料段粉体的浓度分布是一个需要深入研究的课题，目前，还没有见到螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测的相关报道。

发明内容

本发明针对目前粉体浓度检测装置存在的出料不均匀、测量精度不高、成本高、实时性差等不足，提供一种高精度、灵敏场均匀的螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置及检测方法。

本发明采用的技术方案为：

螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置，包括电容阵列传感器、数据采集和控制系统、图像重建计算机；

所述电容阵列传感器包括螺旋式检测电极阵列、环状屏蔽电极、屏蔽罩，所述螺旋式检测电极阵列内嵌于被测绝缘螺旋输送管的管道内壁上、且通过电缆与数据采集和控制系统连接，所述环状屏蔽电极位于螺旋式检测电极阵列两侧、且绕圆柱绝缘管道内径一圈，所述屏蔽罩固定在圆柱绝缘管道外；

所述数据采集和控制系统包括电源模块、极板通道选择模块、电容/电压(C/V)转换模块、单片机控制单元，所述电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；所述极板通道选择模块与所述测量电极阵列连接，用于控制所述检测电极阵列中每一个电极的状态，测量电容并将电容信号传输到C/V转换模块上；所述C/V转换模块，用于将极板间的微小电容值转化为电压值；所述单片机控制单元，通过异步串口与图像重建计算机相连，用于控制极板通道选择模块，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，并传输至图像重建计算机；

所述图像重建计算机用于基于有限元法对数据进行处理和分析、采用Landweber算法进行图像重建、并显示图像。

进一步地，所述圆柱绝缘螺旋输送管的管道内固定有分料装置，所述分料装置由六块薄片构成，所述薄片的轴向长度为一个导程长，六块薄片在周向均匀分布、通过焊接连接。

进一步地，所述的图像重建计算机配置有RS 232标准串行接口COM。

进一步地，所述螺旋式检测电极阵列由12个以圆周均布方式排列的螺旋电极组成，螺旋电极张角是20°，相邻螺旋电极间的间隔角是10°，每一个螺旋电极按相同方向旋转，旋转角度是45°，螺旋电极的轴向长度为圆柱绝缘管道内径的0.5倍，螺距为圆柱绝缘管道内径的8倍。

进一步地，所述螺旋电极采用2mm厚的铜箔制成，表面镀敷绝缘层。

进一步地，螺旋电极表面与绝缘螺旋输送管的管道内壁位于同一圆柱面上。

进一步地，所述环状屏蔽电极采用2mm厚的铜箔，其轴向长度为圆柱绝缘螺旋输送管的管道内径的0.15倍，与螺旋式检测电极阵列的轴向距离是0.1倍的圆柱绝缘管道的内径。

进一步地，所述屏蔽罩轴向长度是圆柱绝缘管道外径的0.8倍，外径为56mm，采用2mm厚的铜箔。

螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)给螺旋电极施加激励电压，测得电容值；

(2)通过C/V转换模块，将螺旋电极的电容值转化为电压值；

(3)电压值经过单片机处理成归一化电容测量值向量，传输至图像重建计算机；

(4)通过图像重建计算机采用Landweber算法进行图像重建，建立介电常数分布图像；

(5)依据重建图像得到粉粒体浓度分布曲线：以介电常数分布图像的等灰度线作为浓度分布曲线。

本发明所述的螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置具有如下优点：检测传感器采用螺旋式测量电极阵列能很好地改善灵敏场的均匀程度，克服了敏感场非线性产生的测量误差，在粉体定量加料方面具有良好的应用前景。螺旋式测量电极阵列由12个以圆周均布方式排列的螺旋电极组成，12个螺旋电极内嵌于被测绝缘管道内壁，能显著提高对输送管道内的粉粒体浓度分布的测量的准确性。

附图说明

图1是本发明的螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测系统示意图。

图2是本发明的螺旋输送管以及电容阵列传感器装配图。

图3是本发明的检测传感器局部放大图。

图4是本发明的螺旋输送管出料段以及电容阵列传感器截面示意图。

图5是本发明的数据采集和控制系统结构框图。

图6是本发明所述螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测方法的流程图。

图7是Landweber迭代算法流程图。

图中，

1-图像重建计算机，2-数据采集和控制系统，3-水平式螺旋输送装置，41-螺旋轴，42-环状屏蔽电极，43-螺旋式检测电极阵列，44-分料装置，45-出料口，46-屏蔽罩，47-圆柱绝缘管道，48-环状屏蔽电极凹槽，49-检测电极阵列凹槽。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，包括电容阵列传感器、数据采集和控制系统2、图像重建计算机1。螺旋输送管内粉体浓度检测装置置于水平式螺旋输送装置3内，所述水平式螺旋输送装置3包括圆柱绝缘管道47、圆柱绝缘管道47内部安装有螺旋轴41。在螺旋轴41左端的圆柱绝缘管道47上方开有进料口，在螺旋轴41右端的圆柱绝缘管道47下方开有出料口45。

所述电容阵列传感器包括螺旋式检测电极阵列43、环状屏蔽电极41、屏蔽罩46，所述螺旋式检测电极阵列43内嵌于被测绝缘螺旋输送管的管道内壁上、且通过电缆与数据采集和控制系统2连接，所述环状屏蔽电极42位于螺旋式检测电极阵列43两侧、且绕圆柱绝缘管道47内径一圈，所述屏蔽罩46固定在圆柱绝缘管道47外；

所述数据采集和控制系统2包括电源模块、极板通道选择模块、C/V转换模块、单片机控制单元，所述电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；所述极板通道选择模块与所述测量电极阵列连接，用于控制所述检测电极阵列中每一个电极的状态，测量电容并将电容信号传输到C/V转换模块上；所述C/V转换模块，用于将极板间的微小电容值转化为电压值；所述单片机控制单元，通过异步串口与图像重建计算机1相连，用于控制极板通道选择模块，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，并传输至图像重建计算机1；

所述图像重建计算机1用于基于有限元法对数据进行处理和分析、采用Landweber算法进行图像重建、并显示图像，所述的图像重建计算机1配置有RS 232标准串行接口COM。。

如图2、图3、图4所示，所述螺旋式检测电极阵列43由12个以圆周均布方式排列的螺旋电极组成，螺旋电极张角是20°，相邻螺旋电极间的间隔角是10°，每一个螺旋电极按相同方向旋转，旋转角度是45°，螺旋电极的轴向长度为圆柱绝缘管道47内径的0.5倍，螺距为圆柱绝缘管道47内径的8倍。螺旋电极表面与绝缘螺旋输送管的管道内壁位于同一圆柱面上，即将螺旋电极安装在检测电极阵列凹槽49中，为了减少粉体与螺旋电极的接触，有利于粉体的平稳输送，提高粉体浓度测量的准确性，且能有效延长螺旋电极使用寿命。

如图2、图3所示，所述环状屏蔽电极42采用2mm厚的铜箔，其轴向长度为圆柱绝缘螺旋输送管的管道内径的0.15倍，与螺旋式检测电极阵列43的轴向距离是0.1倍的圆柱绝缘管道47的内径。环状屏蔽电极42与绝缘螺旋输送管的管道内壁位于同一圆柱面上，即将环状屏蔽电极42安装在环状屏蔽电极凹槽48中。

如图2、图4所示，屏蔽罩46固定在圆柱绝缘管道47外，其轴向长度是圆柱绝缘管道47外径的0.8倍，外径为56mm，采用2mm厚的铜箔。

所述圆柱绝缘螺旋输送管的管道内固定有分料装置44，所述分料装置44由六块薄片构成，所述薄片的轴向长度为一个导程长，六块薄片在周向均匀分布、通过焊接连接。能使粉体在出料段受力稳定，分布更均匀，减小粉体滑落的现象。

本发明的数据采集和控制系统2如5图所示，C/V转换模块采用高度集成化的通用电容检测芯片将极板间的微小电容值转化为相应的电压值，对被测电容只进行一次充放电，即可完成对电容的测量。选用通用微小电容读取芯片MS3110，它是一个基于电荷放大原理的电容测量电路，通过对MS3110内部各寄存器的编程实现对电容的测量，把MS3110的CS2IN引脚连至激励切换部分的输出，把MS3110的CSCOM引脚连至检测切换部分的输出，MS3110的输出值是直流信号。

电源模块给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供所需电源。

测量电极阵列通过极板通道选择模块使得检测电极阵列中的一对极板分别为激励极板和检测极板，其他十个极板处于接地状态，通过电容测量反映管道内物料的信息，将信号传输到C/V转换模块上。

单片机控制单元是整个测量系统的核心，给极板通道选择模块提供控制信号，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过通用异步串口与上位机通讯。单片机测量过程如下：在一个完整的测量过程中，极板1首先被选择为激励电极，给极板1加激励，分别以极板2、3、…、12为检测电极，测量极板对1-2、1-3、…、1-12间的电容值；然后选择极板2为激励电极，极板1接地，测量极板对2-3、2-4、…、2-12的电容值；依此类推，直至测量完极板对11-12的电容值。可以得到66个独立的测量电容值。

上位机配置有RS 232标准串行接口COM，在计算机中编写人机界面，采用有限元法对数据进行处理和分析，采用Landweber算法进行图像重建。

本发明所述螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测方法，包括以下步骤：

(1)给螺旋电极施加激励电压，测得电容值；

(2)通过C/V转换模块，将螺旋电极的电容值转化为电压值；

(3)电压值经过单片机处理成归一化电容测量值向量，传输至图像重建计算机1；

(4)通过图像重建计算机1采用Landweber算法进行图像重建，建立介电常数分布图像；

具体地，采用Landweber算法进行图像重建的过程如图7所示。Landweber迭代算法是建立在线性反投影LBP算法基础上，原理是以迭代数据负梯度收敛方向上的残差平方数值进行修正。采集电容传感器电极阵列66个电容值C₀，根据灵敏度表达式换算得到66个灵敏度值S。

$S_i=\frac{C\left(i\right)-C_{\mathrm{gas}}}{(C_{\mathrm{solid}}-C_{\mathrm{gas}})({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{solid}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{gas}})}\×\mathrm{\μ}\left(i\right)$

线性反投影LBP算法是将相对介电常数分布与测量电容的复杂非线性关系简化为线性关系来近似求解。该算法直接用S的转置矩阵S^T求得G的近似解，如公式所示：

G＝S^TC

根据线性反投影图像重建算法LBP，计算归一化介电常数分布向量G^(k)(第一次无条件进入循环)，然后依据G计算新的66个电容值C，判断误差E＝C₀–C是否在允许范围之内，其中E表示测量电容值与计算所得的电容值之间的误差。

若超出范围则说明图像失真不符合要求，依据误差E修正灵敏场分布，计算校正值S^TE^(k)，校正介电常数分布向量，形成新的图像G^(k+1)＝G^(k)+αS^TE^(k)，其中，α是正的标量，也称为Landweber算法的松弛因子或迭代步长。当误差E减小到允许范围内，即可得到合适的介电常数分布图像。

(5)依据重建图像得到粉粒体浓度分布曲线：以介电常数分布图像的等灰度线作为浓度分布曲线。像素灰度值和浓度分布存在着对应关系，得到等灰度线即得到了浓度分布曲线。为了清晰表示浓度的分布变化，浓度每变化0.1绘制一条曲线。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置，包括电容阵列传感器、数据采集和控制系统、图像重建计算机(1)；

所述电容阵列传感器包括螺旋式检测电极阵列(43)、环状屏蔽电极(41)、屏蔽罩(46)，所述螺旋式检测电极阵列(43)内嵌于被测绝缘螺旋输送管的管道内壁上、且通过电缆与数据采集和控制系统连接，所述环状屏蔽电极(41)位于螺旋式检测电极阵列(43)两侧、且绕圆柱绝缘管道(47)内径一圈，所述屏蔽罩(46)固定在圆柱绝缘管道(47)外；

所述数据采集和控制系统包括电源模块、极板通道选择模块、C/V转换模块、单片机控制单元，所述电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；所述极板通道选择模块与所述测量电极阵列连接，用于控制所述检测电极阵列中每一个电极的状态，测量电容并将电容信号传输到C/V转换模块上；所述C/V转换模块，用于将极板间的微小电容值转化为电压值；所述单片机控制单元，通过异步串口与图像重建计算机(1)相连，用于控制极板通道选择模块，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，并传输至图像重建计算机(1)；

所述图像重建计算机(1)用于基于有限元法对数据进行处理和分析、采用Landweber算法进行图像重建、并显示图像。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述圆柱绝缘螺旋输送管的管道内固定有分料装置(44)，所述分料装置(44)由六块薄片构成，所述薄片的轴向长度为一个导程长，六块薄片在周向均匀分布、通过焊接连接。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的图像重建计算机(1)配置有RS 232标准串行接口COM。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述螺旋式检测电极阵列(43)由12个以圆周均布方式排列的螺旋电极组成，螺旋电极张角是20°，相邻螺旋电极间的间隔角是10°，每一个螺旋电极按相同方向旋转，旋转角度是45°，螺旋电极的轴向长度为圆柱绝缘管道(47)内径的0.5倍，螺距为圆柱绝缘管道(47)内径的8倍。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述螺旋电极采用2mm厚的铜箔制成，表面镀敷绝缘层。

6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，螺旋电极表面与绝缘螺旋输送管的管道内壁位于同一圆柱面上。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述环状屏蔽电极(41)采用2mm厚的铜箔，其轴向长度为圆柱绝缘螺旋输送管的管道内径的0.15倍，与螺旋式检测电极阵列(43)的轴向距离是0.1倍的圆柱绝缘管道(47)的内径。

8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述屏蔽罩(46)轴向长度是圆柱绝缘管道(47)外径的0.8倍，外径为56mm，采用2mm厚的铜箔。

9.螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)给螺旋电极施加激励电压，测得电容值；

(2)通过C/V转换模块，将螺旋电极的电容值转化为电压值；

(3)电压值经过单片机处理成归一化电容测量值向量，传输至图像重建计算机(1)；

(4)通过图像重建计算机(1)采用Landweber算法进行图像重建，建立介电常数分布图像；

(5)依据重建图像得到粉粒体浓度分布曲线：以介电常数分布图像的等灰度线作为浓度分布曲线。